Thiết kế và chế tạo robot tự xác định quỹ đạo

Robot làm được tất cả các công việc, đặc biệt trong những môi trường khắc nghiệt mà con người không thể thực hiện được.. Để thiết kế được một Robot thì ngoài cơ cấu cơ khí - bộ xương và

LỜI CẢM ƠN

Bằng lòng biết ơn sâu sắc, tôi xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ tận

tình, đầy trách nhiệm của Thạc sĩ Ngô Trọng Tuệ, khi tôi thực hiện đề tài

nghiên cứu khoa học của mình

Tôi cũng xin chân thành cảm ơn thầy giáo Trần Quang Huy cũng như các

bạn sinh viên đã tạo điều kiện giúp đỡ tôi và có những đóng góp quý báu để tôi hoàn thành đề tài khoá luận tốt nghiệp này

Hà Nội, ngày tháng 05 năm 2010

Sinh viên

Dương Văn Thảo

LỜI CAM ĐOAN

Đề tài khoa học này được thực hiện duới sự hướng dẫn của Thạc sĩ

Ngô Trọng Tuệ Tôi xin cam đoan những kết quả nghiên cứu trong đề tài này

là do công sức của bản thân tôi, kết quả này không trùng với các kết quả của bất kỳ tác giả nào đã được công bố

Một số dẫn liệu trong đề tài tôi xin phép tác giả được trích dẫn để bổ sung cho báo cáo của mình

Nếu sai tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm

Hà Nội , ngày tháng năm 2010

Sinh viên

Dương Văn Thảo

là nhu cầu của con người cũng không ngừng tăng lên Điều đó đặt ra những yêu cầu và thách thức không nhỏ đối với tất cả các lĩnh vực và ngành nghề Trong đó, phải kể đến ngành công nghệ chế tạo, phải thiết kế và chế tạo ra những cỗ máy tự hành có trí tuệ nhân tạo dưới sự lập trình của con người, làm việc độc lập Đó là những công việc của Robot

Robot làm được tất cả các công việc, đặc biệt trong những môi trường khắc nghiệt mà con người không thể thực hiện được Đó là khám phá những diễn biến trong lòng núi lửa đang hoạt động, những bí ẩn dưới đáy biển sâu hay ngoài vũ trụ bao la… thì các Robot sẽ làm việc đó

Robot là những người máy thông minh, việc chế tạo ra nó là mục đích của không những nhà khoa học, các quốc gia trên thế giới quan tâm mà còn của cả những bạn trẻ yêu thích khoa học và công nghệ mới say sưa tìm hiểu

và chế tạo

Việc nghiên cứu và chế tạo Robot đối với sinh viên trường Sư phạm Hà Nội 2 chỉ mới bắt đầu được hiện thực hoá trong vài năm trở lại đây Tuy đã đạt được những thành công bước đầu, song còn đó những băn khoăn, trăn trở

những dự định phía trước Làm thế nào để thôi thúc các bạn trẻ những sinh viên khoá mới của trường Đặc biệt là sinh viên khoa Vật lý có niềm đam mê nghiên cứu và chế tạo Robot Làm thế nào để Robot trường Sư phạm Hà Nội

2 có thể sánh ngang với Robot của các trường có truyền thống trong nước, tiến tới một mục tiêu xa hơn là tầm châu lục và thế giới Quan trọng hơn là việc ứng dụng Robot vào thực tiễn phục vụ cuộc sống

Để thiết kế được một Robot thì ngoài cơ cấu cơ khí - bộ xương và hình hài của Robot, các mạch điện tử đóng vai trò như dây thần kinh và mạch máu cho robot, mắt của Robot chính là các cảm biến ánh sáng giúp robot có thể giao tiếp với môi trường xung quanh, xác định vạch, tìm đường, tránh vật cản…

Việc nghiên cứư và chế tạo Robot là một công việc hết sức mới mẻ và phức tạp nhưng cũng đầy lí thú, qua đó nó có thể giúp chúng ta tăng cường hiểu biết và chiếm lĩnh công nghệ mới ứng dụng vào chính thực tiễn cuộc sống của chúng ta

Với mục tiêu đó trên cơ sơ những thành tựu trong nghiên cứu và chế tạo Robot đã đạt được của các anh chị K31 - SPKT Vì vậy, tôi quyết định

chọn việc “Thiết kế và chế tạo Robot tự xác định quỹ đạo” làm đề tài nghiên

cứu khoá luận của mình

2 Mục đích nghiên cứu

Thiết kế robot quỹ đạo phục vụ công tác giảng dạy và ứng dụng vào một số công tác khác trong đời sống

3 Nhiệm vụ nghiên cứu

Thiết kế và chế tạo cơ khí, xây dựng mạch điện và làm rõ cơ chế và nguyên lí làm việc

Chế tạo và lắp giáp thành công robot quỹ đạo

4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Nghiên cứu và chế tạo Robot quỹ đạo

5 Phương pháp nghiên cứu

Vận dụng lí thuyết và thực hành

6 Đóng góp của đề tài

Đề tài mang lại cho các bạn sinh viên, học sinh tài liệu lí luận và thực tiễn bước đầu về nghiên cứu và chế tạo Robot Trên cơ sở đó, phát triển và đưa Robot vào ứng dụng trong thực tiễn cuộc sống

NỘI DUNG

Chương 1 VAI TRÒ CỦA TỰ ĐỘNG HOÁ TRONG ĐỜI SỐNG

1.1 Vai trò của tự động hoá trong đời sống

Lịch sử tự động hoá ra đời cách đây chưa lâu, nhưng vai trò to lớn của

nó thì ngày càng sâu rộng trong khắp các lĩnh vực của đời sống xã hội Nhìn vào thực tế để thấy rằng: mỗi tình huống trong sinh hoạt hằng ngày của chúng

ta, đều có liên quan đến một vài loại điều khiển tự động: máy nướng bánh, máy giặt, hệ thống audio - video Vậy vai trò cụ thể của tự động hoá như thế nào đối với đời sống của chúng ta?

Sự ra đời của Động cơ đốt ngoài sau đó là Động cơ đốt trong đã đánh dấu bước ngoặt quan trọng trong sản xuất, cơ khí hoá nền sản xuất kéo theo

nó là thành quả to lớn về năng xuất, chất lượng sự đa dạng mẫu mã mặt hàng…Nhưng tất cả chưa là gì hết nếu đem so sánh với kết quả năng xuất đạt được kể từ khi tự động hoá ra đời Ưu điểm nổi trội của nó là năng xuất, chất lượng, độ chính xác cao và giảm tiêu hao sức lao động, thậm trí các máy móc

đã thay thế con ngưòi làm việc trong những điều kiện khắc nhiệt nhất mà ở đó con người không thể làm việc được Chính vì vậy, ngày nay trong hầu hết các ngành kinh tế, kỹ thuật, nhất là các ngành công nghiệp đều áp dụng kỹ thuật

tự động hoá Có thể nói, tự động hoá đã làm thay đổi diện mạo nhiều ngành sản xuất, dịch vụ Ở nhiều nước đã xuất hiện những nhà máy không có người, văn phòng không có giấy Khắp nơi đã bắt gặp những thuật ngữ như: Thương mại điện tử, Chính phủ điện tử, Máy thông minh, Thiết bị thông minh Máy móc đã thay thế con người ở rất nhiều công việc, những công

đoạn Từ khâu thiết kế đến khâu đóng gói sản phẩm trong một dây chuyền sản xuất rồi kiểm soát công cụ … góp phần nâng cao năng xuất lao động

Tự động thiết kế CAD không chỉ cần thiết kế sản phẩm, mà còn dùng

để mô phỏng, tính toán, phân tích, so sánh Bộ chương trình máy tính EPC (Engineering, Procurement, Construction - thiết kế kĩ thuật, mua sắm, xây lắp), một công cụ đắc lực giúp việc trở thành “tổng thầu”, cũng là một loại chương trình CAD Ngày nay, người ta rất quan tâm đến một dạng phát triển nữa của CAD Đó là CAE (Computer Aide Engineering) CAE dùng để phân tích kĩ thuật và tìm lời giải hợp lí nhất ngay trong giai đoạn thiết kế Ví dụ: khi thiết kế khuôn ép nhựa, bên cạnh việc sáng tạo dáng hình học chính xác còn cần phải mô phỏng để phân tích quá trình sẽ xẩy ra trong khi phun ép nhựa nóng Từ đó, có thể chọn phương án liên quan đến đầu phun, đến độ co ngót Để sản phẩm không bị biến dạng, cong vênh sau khi ép xong Một dạng phát triển nữa của CAD là công nghệ tạo mẫu nhanh RPT (Rapid Prototyping Technology) Theo công nghệ này, các thông tin về sản phẩm được thiết kế trên máy tính và sẽ chuyển trực tiếp sang thiết bị RPT để tạo ngay ra mẫu vật 3 chiều Vì thế, người ta còn gọi đây là máy in 3D (Three DimetionPrinter)

Như vậy, chỉ riêng một vấn đề nhỏ của kỹ thuật tự động hoá, CAD đã

có thể làm thay đổi nhiều quá trình sản xuất Khi mới ra đời, CAD đã được một cơ quan khoa học của Mỹ đánh giá như một công nghệ mới “làm tăng năng suất lên gấp bội, mà chưa công nghệ nào đạt tới” Đồng thời, dẫn ra ví

dụ minh hoạ về việc rút ngắn thời gian thiết kế một chiếc máy bay từ 1,5 năm với hơn 1 ngàn kĩ sư, xuống còn vài tuần với một nhóm nhỏ kỹ sư

Một ứng dụng nữa của kĩ thuật tự động hoá là có thể dùng máy tính trực tiếp điều khiển đến từng thiết bị, từng dây chuyền sản xuất cũng như toàn

bộ hệ thống sản xuất Từ việc điều khiển số NC (Numerical Control), điều

khiển bằng máy tính CNC (Computer Numerical Control) cho đến việc ứng dụng các “máy tính nhúng” trong các bộ điều khiển các thiết bị, là một bước đường dài của sự phát triển làm tăng sự ổn định và hiệu quả sử dụng lên rõ rệt

Một trong những đặc trưng của trình độ tự động hoá hiện đại là mức độ

xử lí thông minh trong các tình huống xảy ra ở quá trình công nghệ Vì vậy, cần có những sensor tinh xảo để nhận biết về các tình huống đó Ngày nay, trên cơ sở những thành tựu của hệ thống tích hợp khoa học Micro và Nano (Micro Nanoscience Integrated Systems) nhiều tổ hợp các sensors tạo ra các cụm cảm biến đa năng, cho phép nhanh chóng nhận thức môi trường và tình huống từ nhiều thông tin cùng một lúc

Chưa hết, một sản phẩm điển hình được ứng dụng của tự động hoá đó chính là Robot Robot có thể làm được tất cả những công việc trong những môi trường mà con người không thể thực hiện được Đó là: khám phá những diễn biến trong lòng núi lửa đang hoạt động, hay những bí ẩn dưới đáy biển sâu Xa hơn nữa là những Robot thám hiểm ngoài vũ trụ bao la nơi mà còn nguời không thể đặt chân đến… thì Robot sẽ làm việc đó Thậm trí, những chú Robot thân thiện như nguời máy Asimô còn có thể nói chuyện giao tiếp với con nguời

Vài nét đặc trưng của ngành tự động hoá hiện đại vừa điểm qua càng tô đậm vai trò chủ đạo của nó trong nền kinh tế kĩ thuật hiện đại

Ngày nay, nhiều người đã thừa nhận rằng: nói đến công nghiệp hoá, hiện đại hoá không thể không nói đến tự động hoá Mà linh hoạt hoá là một trong những tiêu chí quan trọng để đánh giá hệ thống tổ chức sản xuất, đáp ứng yêu cầu cạnh tranh khốc liệt trên thị trường Những bước đi từ số hoá đến máy tính hoá hệ thống sản xuất, dịch vụ ngày càng thực hiện theo con đường mềm hoá, linh hoạt hoá để thích nghi với thị trường biến động Hệ thống sản

xuất linh hoạt FMS (Flexible Manufacturing Systems) trở thành biểu tượng cho nền sản xuất hiện đại Hệ thống sản xuất tự động này, cho phép đáp ứng nhanh với yêu cầu thay đổi mẫu mã và đặc tính kĩ thuật của sản phẩm trong thị trường cạnh tranh Hệ thống FMS cũng rất thích hợp với quy mô sản xuất vừa và nhỏ Hệ thống sản xuất tích hợp với máy tính CIM (Computer Integrated Manufacturing) trở thành cốt lõi cho hệ thống quản lý công nghệ

và kinh tế của các doanh nghiệp hiện đại Như vậy, càng ngày tự động hoá càng nổi lên với vai trò chủ đạo, dẫn dắt nhiều ngành kinh tế kĩ thuật phát triển

Bản thân tự động hoá là một liên ngành, nó không thuộc một ngành kinh tế kĩ thuật riêng biệt nào Nhưng lại có mặt ở hầu hết các ngành kinh tế

kỹ thuật Nếu hình ảnh “máy tính nhúng” (embeded) trong từng thiết bị và trong cả doanh nghiệp hiện đại là một hình ảnh đẹp đã phổ biến khắp nơi, thì cũng có thể nói rằng: ngày nay tự động hoá đã “nhúng” trong hầu hết các ngành kinh tế kĩ thuật

Những khả năng kì diệu mà tự động hoá đem lại, cũng đòi hỏi khi đem vào ứng dụng cho hệ thống thiết bị hay cho dây chuyền sản xuất nào đó Những kỹ thuật viên phải am hiểu quy trình công nghệ cụ thể, phải nhận biết được các thông số của quá trình để đặt đúng chỗ, đúng lúc các loại sensors hợp lý Phải điều khiển được từng thiết bị và cả hệ thống, không những là hệ thống quản lý công nghệ, mà cả hệ thống quản lý sản xuất

Trong lĩnh vực đời sống sự ra đời của máy giặt đã nhẹ bớt gánh nặng lao động, tiết kiệm thời gian, tiết kiệm chất tẩy rửa Góp phần mang lại những niềm vui, hạnh phúc cho con người

Trong lĩnh vực ngân hàng, sự ra đời của máy rút tiền tự động hay máy giao dịch tự động (còn được gọi là ATM, viết tắt của Automated Teller Machine hoặc Automatic Teller Machine trong tiếng Anh) đã mang lại rất

nhiều tiện ích Hãy tưởng tượng nếu bạn đi xa cần phải mua sắm nhiều thứ, bạn phải chi một khoản tiền khá là lớn sẽ thật bất tiện khi cầm theo khoản tiền

đó Với một thiết bị ngân hàng giao dịch tự động với khách hàng, thực hiện việc nhận dạng khách hàng thông qua thẻ ATM (thẻ ghi nợ, thẻ tín dụng) hay các thiết bị tương thích và giúp khách hàng kiểm tra tài khoản, rút tiền mặt chuyển khoản, thanh toán tiền hàng hóa dịch vụ sẽ tiện lợi hơn nhiều

Trong thám hiểm đại dương bao la và vũ trụ vô tận, Robot chính là giải pháp và cách thức để con người có thể khám phá, tìm hiểu những nơi mà con người không thể đặt chân tới Qua đó, chúng ta có thể tìm ra câu trả lời cho bài toán tự nhiên mà cùng với lịch sử loài người đang không ngừng tìm kiếm

nó

Trên đây, chúng ta mới chỉ đề cập một vài những ứng dụng có tính thời

sự của tự động hóa trong đời sống và công nghiệp Ngoài ra, chúng ta còn phải kể tên tới vai trò của tự động hóa trong các lĩnh vực khác nữa như: y tế, cứu hỏa, bảo trì, dân dụng…

Tóm lại, tự động hoá có mặt ở hầu hết các ngành kinh tế kĩ thuật, có vị

trí chủ đạo trong sự phát triển của các ngành đó Có thể nói một cách hình ảnh

là, tự động hoá đã “nhúng” phổ biến trong quản lý công nghệ, quản lý sản xuất và quản lý hành chính Tự động hoá là cầu nối để các thành tựu của công nghệ thông tin biến thành hiện thực trong sản xuất và trong đời sống xã hội

Tự động hoá phải am hiểu từng ngóc ngách, đến toàn thể quá trình công nghệ

tự động hoá phải tiếp cận từ hệ thống toàn cục, đến từng chi tiết cụ thể

Vì những lí do nói trên, chúng ta càng thấy rõ vai trò chủ đạo trong việc đào tạo của tự động hoá trong sự nghiệp công nghiệp hoá, hiện đại hoá đất nước Trong những năm gần đây, nước ta cũng đã đạt được nhiều thành tựu bước đầu trong việc áp dụng tự động hoá trong công nghiệp và dịch vụ Hy

vọng rằng: trong xu thế đổi mới và hội nhập, tự động hoá sẽ có nhiều bước tiến mạnh mẽ hơn nữa

1.2 Các Robot hiện nay được sử dụng trong thực tế

Có rất nhiều các Robot được sử dụng trong thực tế, sau đây chúng ta sẽ

kể ra một số loại Robot điển hình:

* Robot thám hiểm

Cơ quan NASA thường xuyên gửi các thiết bị thăm dò tự động để nghiên cứu các hành tinh và hệ Mặt Trời Các thiết bị này bay qua hệ Mặt Trời truyền thông tin hình ảnh của các hành tinh và vệ tinh về Trái Đất Tàu thăm dò Vikinh được gửi lên sao Hỏa để tìm kiếm dấu hiệu của sự sống và gửi hình ảnh về trái đất Một trong những thành công gần đây của Robot thám hiểm không gian là thiết bị Mars Pathfinder - thiết bị tìm đường

Mars Pathfinder

Tàu Mars Pathfinder gồm thiết bị đổ bộ và xe tự hành, được giải phóng

từ Trái Đất tháng 12 năm 1996, đến sao Hỏa ngày 4/7/1997

Tàu Mars Pathfinder không bay theo quỹ đạo quanh sao hỏa, trực tiếp

đi vào khí quyển sao hỏa với tốc độ 7.6 km/s, hạ cánh trên bề mặt sao Hỏa tại khu vực Ares Vallis Đây là, miệng núi lửa cổ, có thể có nhiều loại đá trong tầm với của xe tự hành Các loại đá tập trung ở đây, bị trôi xuống từ sườn núi,

từ thời kì sao Hỏa có nước Tàu đổ bộ mở các cánh pin Mặt Trời xe tự hành tách khỏi tàu Xe tự hành này có tên là Sojourner Đây là thế hệ thiết bị thăm

dò tự động mới có kích thước nhỏ gọn, tính tự đông cao, tiêu tốn rất ít năng lượng

Thiết bị đổ bộ và xe tự hành đều có hệ thống tạo hình ảnh Stereo Xe tự hành có phổ kế tia - X, Alpha proton, được dùng để xác định thành phần đá Thiết bị đổ bộ thực hiện các quan sát khí quyển và khí tượng, có trạm vô tuyến để gửi thông tin về trái đất

Xe tự hành Sojourner được điều khiển từ mặt đất Do sự trễ thời gian giữa các tác động điều khiển trên mặt đất và đáp ứng của xe khoảng 6 - 41 phút tùy theo vị trí tương đối của Trái Đất và sao Hỏa, trên xe có hệ thống phần mềm được lập trình, cho phép điều khiển xe theo chế độ tự động

* Robot công nghiệp

Robot là thành phần không thể thiếu trong các ngành công nghiệp chế tạo Ví dụ: các Robot hàn được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp ô tô Robot sơn chuyên dùng để sơn phun tự động nhiều loại chi tiết Công nghệp bán dẫn dùng các Robot để hàn các vi mạch, lắp các mạch tích hợp lên các bản mạch in

Các Robot này thực hiện các chuyển động chính xác và lặp lại liên tục Kiểu công việc này thường gây mệt mỏi và nhàm chán đối với công nhân, dẫn đến các sai sót và giảm năng xuất lao động Robot là lí tưởng cho các công việc đó, chúng nhanh hơn chi phí thấp hơn, độ chính xác cao hơn, và không bị mệt mỏi Do đó, đảm bảo chất lượng sản phẩm, năng xuất lao động và tăng tính cạnh tranh

* Robot bảo trì

Robot bảo trì được thiết kế đặc biệt để đi vào các đường ống, cống nước thải ống điều hòa không khí và nhiều loại hệ thống khác Với camera Robot có thể truyền hình ảnh cho các bộ phận điều khiển và kiểm tra Khi phát hiện hư hỏng, người điều khiển có thể sử dụng Robot để thực hiện sửa chữa nhỏ một cách nhanh chóng và hiệu quả

* Robot cứu hỏa

Loại Robot này có hệ thống cảm biến nhanh chóng phát hiện khói hoặc lửa, di chuyển đến nơi cháy và dập lửa Robot cứu hỏa được trang bị trong các nhà máy, các xưởng sản xuất các tòa nhà công cộng, các khu vực dễ cháy, các nhà máy lọc dầu…

* Robot y khoa

Robot y khoa được chia thàn ba nhóm:

Thứ nhất: Các Robot xét nghiệm và chẩn đoán Ví dụ, loại Robot có

tên Papnet,có thể phát hiện tế bào ung thư nhanh chóng và chính xác hơn hẳn nhân viên phòng thí nghiệm

Thứ hai: Các robot giải phẫu Loại Robot này có các bộ phận cảm

biến lực hồi tiếp chuyển các động tác của bác sĩ ở xa thành các thao tấc giải phẫu Bác sĩ ở nơi này có thể tiến hành giải phẫu ở nơi khác cách xa hành trăm cây số

Thứ ba: Các Robot sử dụng cộng nghệ hiện thực ảo Diễn dịch các

thao tác của bác sĩ thành các chuyển động chính xác của cánh tay Robot, cho phép thực hiện các cuộc vi giải phẫu mà trước đây không thể thực hiện

* Robot quốc phòng

Một trong các lĩnh vực ứng dụng Robot là quốc phòng Nhiều loại máy bay không người lái, nhiều loại thiết bị thăm dò dưới nước trên đất liền, có thể hoạt đông với sự điều khiển từ xa hoặc lập trình sẵn chúng là những Robot trong chiến tranh hiện đại

* Robot dân dụng

Các nhà khoa học đã nghiên cứu và chế tạo nhiều loại: Robot dân dụng, Robot dẫn đường cho người khiếm thị, Robot giúp việc nhà, phục vụ Ngoài ra, còn có loại Robot mô phỏng vật nuôi trong nhà như chó Robot

Ngày nay, Robot được sử dụng trong hầu hết các lĩnh vực từ nghiên cứu khoa học, sản xuất cho đến trong gia đình Nghiên cứu và phát triển Robot không chỉ là việc của các nhà khoa học mà còn là nơi chứng tỏ sự sáng tạo và khéo tay của các bạn

Chương 2 CÁC MẠCH ĐIỆN CƠ BẢN

LM324

3 2 1

LM324

1 2 6

Hình 2.2 Sơ đồ mạch điện sensor thu phát ánh sáng thường

2.1.1.2 Nguyên lí làm việc

Trong sơ đồ nguyên lí trên thì cặp led phát và cds được đặt sát nhau Một chân của cds được đưa vào IC LM 324 LM324 là IC so sánh, mục đích là so sánh tín hiệu từ sensor

Tín hiệu ra từ IC LM 324 được đưa vào IC 4001 để đảo mức tín hiệu tín hiệu ra được đưa vào chân vi điều khiển

Biến trở 10k đóng vai trò tạo điện áp ngưỡng và tinh chỉnh độ nhạy của sensor

Đèn led 1 và led 2 có tác dụng báo hiệu khi sensor gặp vạch trắng

Khi hoạt động, led chiếu sáng xuống sân, chùm tia sáng chiếu xuống nền sân tối màu có thể là mầu đen, xanh thẫm…Ánh sáng bị hấp thụ Cds không nhận được chùm tia phản xạ, điện trở bằng vô cùng, tín hiệu ra

LM 324 là mức 1, qua IC 4001 đảo về mức 0, led báo không sáng Tín hiệu vào vi điều khiển là mức 0

Robot đi lệch hướng hay qua vạch trắng ( giả sử lệch phải: sensor been phải lấn vào vạch trắng ) thì màu trắng của vạch phản xạ là ánh sáng phát ra Cds nhận chùm tia phản xạ, điện trở bằng 0 Tín hiệu qua LM324 là mức 0 qua IC 4001 đảo thành mức 1 Led báo sáng tín hiệu vào vi điều khiển là mức

0 0

D4148 R3 10K

3Vdc

Hình 2.3 Mạch phát xung hồng ngoại

OUT IN

IC LM7805

IC2Pins 1

B112V

Q1 BC109C

Hình 2.4 Mạch thu hồng ngoại

2.1.2.2 Nguyên lí làm việc:

Ta có thể sử dụng mạch phát xung hồng ngoại để làm ngồn phát ánh sáng hồng ngoại và mạch thu hồng ngoại thông thường để thu hồng ngoại Nguyên lí làm việc, cách lắp đặt vị trí cà thuật toán dò đường hoàn toàn giống với phương pháp thu phát ánh sáng thường

Ưu điểm hơn so với việc phát ánh sáng thường là không hề bị nhiễu do các nguồn sáng mạnh thông thường tác động Nhưng vẫn có thể bị nhiễu nếu như có nguồn phát hồng ngoại khác gần đó

Phương pháp thu phát hồng ngoại giải quyết được hoàn toàn vấn đề đó

2.3.1 Mạch cảm biến thu phát xung hồng ngoại:

2.3.1.1 Sơ đồ mạch điện

Y GND

Y GND

Y GND

2 3 5

222 C19

U2

7805

LED THU 5V

C1815

4013

CSC CODE2

RIN CO C1 C2 C5 C3 C4 C6 C7 C8 C9 GND CODE3

C2 C2 D2 CK1 CK2

D1 R2

CN CN 2

15 14 13

12 11 10 1

9 7 6 8 5 4 3

2 2

2 2 2 2

2 D3

Hình 2.5 Mạch thu xung hồng ngoại

2.3.1.2 Nguyên lí làm việc:

Nguyên lí thu phát xung hồng ngoại sử dụng IC BL9148 và BL9149:

Sau khi IC phát BL9148 phát tín hiệu (2 chu kì)đi Chân Rxin có nhiệm

vụ sẽ chỉnh lưu lại dạng sóng của tín hiệu cho chuẩn Sau đó, tín hiệu được đưa tới bộ lọc số Bộ lọc số có nhiệm vụ lọc lấy các dư liệu rồi đưa đến thanh ghi Dữ liệu đầu tiên được lưu vào thanh ghi 12 bit Tiếp đến, dữ liệu thứ 2 sẽ được nạp vào thanh ghi Dữ liệu đầu tiên sẽ được đưa qua bộ đệm ngõ ra nếu

mã của nó khớp với mã của phần phát Trường hợp mã của tín hiệu không khớp với mã của phần phát thì quá trình sẽ được lập lại Khi các dữ liệu nhận đựơc thông qua, ngõ ra sẽ chuyển từ mức thấp lên mức cao Nhược điểm của phương pháp này là mạch điện phức tạp, phức tạp cho cả khâu lập trình

2.4.1 Mạch cảm biến quang nghe được với LM 741

R1 1K

R2

100 k C

+ -

U4

1

3 4

Hình 2.6 Mạch cảm biến quang sử dụng LM741

Nguyên lí làm việc: Mạch này sử dụng nguồn đối xứng khoảng 9V Đây là mạch cảm biến bằng quang trở, khi ánh sáng chiều vào PC1 và PC2 Làm cho điện trở của 2 con quang trở này bằng 0, dẫn dòng vào 3 và 2 của

LM 741 sẽ làm loa phát ra tiếng > Điều chỉnh bằng biến trở R3

2.2 VI ĐIỀU KHIIỂN 89C51

Trên thị trường có nhiều họ chíp vi điều khiển với dung lượng khác nhau Để phù hợp với yêu cầu của đề tài và kinh tế chúng tôi đã chọn chip vi điều khiển AT89C51 của hãng Atmel, đó là một hệ vi tính 8 bit đơn chip CMOS, hiệu suất cao, công xuất nguồn tiêu thu thấp và có 4KBROM có thể xoá và lập trình đựơc

AT89C51 có đặc trưng chuẩn:4KB ROM, 128 B RAM 32 đường xuất nhập, 2 bộ định thời/đếm 16 bit, 1cấu trúc ngắt 2 mức ưu tiên và 5 nguyên nhân ngắt, 1 port nối tiếp song song,mạch dao động và tạo xung clork trên chip

Sơ đồ chân IC 89C51

9

12 13 14 15 1 2 3 4 5 6 7 8

39 38 37 36 35 34 33 32 21 22 23 24 25 26 27 28 17 16 29 30 11 10

EA/VP X1

X2

RESET

INT0 INT1 T0 T1 P1.0 P1.1 P1.2 P1.3 P1.4 P1.5 P1.6 P1.7

P0.0 P0.1 P0.2 P0.3 P0.4 P0.5 P0.6 P0.7 P2.0 P2.1 P2.2 P2.3 P2.4 P2.5 P2.6 P2.7 RD WR PSEN ALE/P TXD RXD

C4

Hình 2.7 Sơ đồ chân vi điều khiền 89C51

2.2.1 Chức năng chi tiết:

Chân VCC:Dương nguồn

Port 3 còn được sử dụng làm các chức năng khác của AT 89C51

Port 3 cũng nhận các bit địa chỉ cao và vài tín hiệu điều khiển, trong thời gian lập trình cho FLASH và kiểm tra chương trình

Mỗi chân lại có chức năng riêng

Bit Tên Chức năng

P3.0 RxD Ngõ vào nhận dư liệu nối tiếp

P3.1 TxD Ngõ xuất dữ liệu nối tiếp

WR Ngõ điều khiển ghi dữ liệu lên bộ nhớ ngoài

P3.7 RD Ngõ điều khiển đọc dữ liệu từ bộ nhớ bên

nhớ chương trình ngoài, PSEN: tích cực 2 lần cho mỗi chu kì máy, ngoại trừ trường hợp 2 tác động của PSEN bị loại bỏ qua mỗi lần truy xuất bộ nhớ dữ liệu bên ngoài

Chân EA/Vpp:

Chân cho phép truy xuất bộ nhớ ngoài EA phải được nối với GND để cho phép chíp vi điều khiển tìm nạp lệnh từ các vị trí nhớ của bộ nhớ chương trình ngoài, bắt đầu địa chỉ 0000H cho đến FFFFH

Chân EA/vpp còn nhận điện áp cho phép lập trình Vpp trong thời gian chờ lập trình cho Flash

Chân XTAL1 ngõ vào đến mạch khuyếch đại đảo của mạch dao động

và ngõ đến mạch tạo xung của clock bên trong chip

Chân XTAL2 là ngõ vào đến mạch khuyếch đại đảo của mạh dao động

2.2.2 Cấu trúc của port xuất nhập

2.2.2.1 Sơ đồ port xuất nhập:

Ghi đến giá trị logic 1 chân của port sẽ nạp dữ liệu vào bộ chốt của port ngõ ra Q của bộ chốt điều khiển một transistor trường và transistor này nối với chân của port

điện trở kéo lên (pull up) khôn có port 0 Cần có điện trở kéo lên bên ngoài khi cần thiết

Ngoài ra chức năng nhập xuất trong port còn có các chức năng riêng do khuôn khổ của đề tài không được trình bày cụ thể tại đây

2.2.2.2 Tổ chức bộ nhớ

Bộ nhớ chương trình và dữ liệu đặt trong chip bao gồm ROM và RAM tuy nhiên có thể mở rộng bộ nhớ bàng cách sử dụng các chíp nhớ bên ngoài dung lượng tối đa là 128 KB

Không gian bộ nhớ nội chia thành: các dãy thanh ghi (00j đến 1FH) vùng Ram địa chỉ bit (20H đến 2FH), vủng ran đa mục đích (30H đến FFH)

2.2.2.3 Bộ nhớ ngoài

Các chíp vi điều khiển có bộ nhớ hạn chế do vậy khi cần thực hiện chương trình lớn phải mở rộng không gian bộ nhớ chương trình ngoài đến 64k không gian bộ nhớ dữ liệu ngoài 64K

2.2.2.4 Hoạt động RESET

AT9C51 được reset bằng cách giữ chân RST ở múc cao tối thiểu 2 chu

kì máy sau đó chuyển về mức thấp RST có thể được tác động bằng tay hoặc tác động khi cấp nguồn bằng cách dùng một mạch RC

SW4

SW2 SW1

SW2

m

Hình 2.14 Mạch driver sử dụng công tắc

Nguyên lí hoạt động: Khi đóng các công tắc SW, SW4 Hình 6.1b, động

cơ quay theo một chiều Khi đóng các công tắc SW2, SW3, động cơ quay theo chiều ngược lại Bằng cách sử dụng công tắc thích hợp, bạn có thể đảo chiều dòng điện đến động cơ để đảo chiều quay của trục động cơ

2.3.2 Driver sử dụng transistor có diode bảo vệ:

D1 T1

T2 D2

kì Thời gian động cơ hoạt động càng lớn điện áp trung bình càng cao Các động cơ là tải cảm ứng Khi dòng điện được đóng và ngắt, điện áp chuyển tiếp phát sinh trong các dây (động cơ) có thể phá huỷ các linh kiện bán dẫn trong cầu H vì vậy mà người ta sử dụng các diode chặn qua từng transistor Diode chặn làm giảm điện áp chuyển tiếp bằng cách tạo ra đường dẫn điện áp trực tiếp đến mát cho điện áp này, nhằm bảo vệ linh kiện bán dẫn này

2.3.3 Driver dùng Relay và Mosfet

Hình 2.16 Mạch công xuất sử dụng Relay và Fed

Mạch sử dụng Relay+FET Relay để đảo chiều động cơ FET để điều chỉnh tốc độ động cơ Chân P3.3 điều khiển hướng động cơ Chân P1.3 điều khiển tốc độ động cơ Mạch sử dụng opto cách ly để chống nhiễu

Hình 2.17 Mạch cầu H sử dụng FET kênh N và P ghép bổ phụ

Mạch cầu H sử dụng FET kênh N và P ghép bổ phụ Chú ý không được để 2 chân kích cùng bên (trái hoặc phải) cùng dẫn, sẽ làm cháy mạch, vì có dòng nối tắt từ 24VDC xuống GND

Chương 3 THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO ROBOT TỰ XÁC

ĐỊNH QUỸ ĐẠO

1.Thiết kế cơ khí:

Phần này bao gồm các kết cấu cơ khí của Robot Đây chính là phần thể hiện ý tưởng của bạn Ý tưởng đóng vai trò rất quan trọng nó chính là cơ sở

để định hướng đưa ra giải pháp thiết kế, bạn có thể có rất nhiều ý tưởng cũng

có rất nhiều phần mềm phục vụ cho công việc thiết kế cơ khí chuyên dụng như Solid word, Autocad…xong để đưa ra một giải pháp thiết kế cơ khí tối

ưu cũng là một vấn đề không hề đơn giản Công việc này cũng đòi hỏi sự tính toán cao, nếu việc thiết kế sai hoặc không đạt yêu cầu, sẽ gây ra lãng phí rất lớn, hoặc sẽ ảnh hưởng tới quá trình hoạt động của robot sau này

Sau khi công việc thiết kế đã được tối ưu công việc tiếp theo là đưa ra các bản vẽ tôi xin giới thiệu một số bản vẽ của chi tiết

Hình 3.1 Thân tay gắp Robot

- Mạch nguồn là nơi cung cấp nguồn điện để toàn bộ các cơ cấu và hệ

thống của Robot hoạt động Mạch nguồn sử dụng cho robot này sử dụng IC

7805 lấy ra nguồn 5V

R1 RESISTOR

D2 LED C1

CAPACITOR

J2

CON2

1 2 J1

- Mô đun vi điều khiển: Vi điều khiển, đóng vai trò như bộ não của

Robot điều khiển toàn bộ hoạt động của Robot theo chương trình lập sẵn

VCC_BAR

VCC_BAR

VCC_BAR VCC_BAR

VCC_BAR

VCC_BAR

VCC_BAR

VCC_BAR VCC_BAR

VCC_BAR

J5

CON4

1 3

39 37 35 33 21 23 25 27 17 29 11

EA/VP X1

X2

RESET

INT0 T0

P1.0 P1.2 P1.4 P1.6

P0.0 P0.2 P0.4 P0.6

P2.0 P2.2 P2.4 P2.6

RD WR PSEN ALE/P TXD RXD

J2 CON5

1 3 5

R8

D4

LED R14

R5

+ -

1 2

3

U5 NAND2

1 2

3

P1.0 input signal - Turn left P1.1 input signal - Count White Line p1.3 input signal - Turn right

P2.0 output - control motor

Hình 3.6 Mạch mô đun vi điều khiển sử dụng họ 8051

- Mô đun dò đường tín hiệu phản hồi tử mô đun dò đường giúp vi điều

khiển điều hành mô hình đi đúng theo hường quỹ đạo đã đựơc lập trình từ trước

Hình 3.7 Mạch mô đun mắt dò đưòng

- Mạch công suất sử dụng cho Robot này

Hình 3.8 Mạch công xuất

* Mạch in

Đây được xem là bước cuối cùng để hoàn tất công việc thiết kế mạch điện tử Ở Việt Nam công nghệ làm mạch in khá phát triển trong những năm gần đây do những ưu điểm như như dễ chế tạo đảm bảo tốt tốt yêu cầu kĩ thuật của mạch điện dễ dàng kiểm tra và sửa chữa khi có hỏng hóc hoặc thay thế Để thiết kế mạch in chúng ta có thể sử dụng các phần mềm thiết kế mạch

in thông dụng như Orcad hay Protel…Trên cơ sở đó tôi đã thiết kế mạch in cho Robot của mình

Hình 3.9 Mạch in mạch nguồn

Hình 3.10 Mạch in mạch mô đun do đường

Hình 3.11 Mạch in mạch công suất

Hình 3.12 Mạch in mô đun vi điều khiển

3 Chương trình Assembly dẫn đường thẳng cho robot

Như vậy là phần thiết kế cơ khí, lắp giáp và lắp mạch điện tử cho Robot

đã xong công việc tiếp theo là ta đi lập trình cho Robot Chương trình lập trình cho Robot được ví như các tế bào thần kinh của bô não con người Nó

có chức năng thu nhận mọi tín hiệu xử lí và điều khiển mọi hoạt động Nếu không có nó thì Robot của chúng ta sẽ chẳng thể nào hoạt động được Hiện nay có khá nhiều ngôn ngữ lập trình riêng tôi, tôi sử dụng ngôn ngữ lập trình Assembly cho Robot của mình do chương trình này khá dễ lại phù hợp với nhữn người mới bắt đầu làm quen với công việc thiết kế Robot Chương trình này như sau:

;CHUONG TRINH DIEU KHIEN ROBOT TU DONG

;CHON MODE: MODE DO:P1.4=1, MODE XANH: P1.4=0

;start:p1.5, retry1:p1.6, retry2:p1.7

;MOTO LEN XUONG KHI NHAN CANG: P2.4, P2.5

; -tom tat toan bo phan lap trinh -

;dau tien dem 3 vach va dung lai de nhan cang

;sau do di va dem tiep 11 vach nua(qua nui) thi RE LAN 1

;dem tiep 3 vach nua roi RE LAN 2

;dem 1 vach lan 1 roi RE LAN 3

;dem 1 vach lan 2 roi RE LAN 4

;dem 1 vach lan 3 roi RE LAN 5

;dem 1 vach lan 4 roi RE LAN 6

;tiep tuc dem 2 vach roi RE LAN 7(vao khu vuc danh trong)

;dem 3 vach lan cuoi cung roi dung han de robot lu hanh di danh trong

REPHAI: CLR P2.0

SETB P2.1

SETB P2.2 SETB P2.3 RET

; -DEM VACH -

DI_DEM: JB P1.2,DI_DEM ;cho 1 o P1.2

KTRA: JNB P1.2,CHAY ;cho 0 o P1.2 -Dem su kien